动力电池性能指标及能源管理技术

动力电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、放电倍率、使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标也有差异。

（1）电压

电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压和放电终止电压等。

1）端电压

端电压是指电池正极与负极之间的电位差。

2）开路电压

电池在开路条件下的端电压称为开路电压，即电池在没有负载情况下的端电压。开路电压取决于电池正负极材料的活性、电解质和温度条件等，而与电池的几何结构和尺寸大小无关。

3）额定电压

额定电压是电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。常用电池单体额定电压见表2.1。

表2.1　常用电池单体额定电压

4）充电终止电压

蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。

铅酸蓄电池的充电终止电压为2.7~2.8 V，金属氢化物镍蓄电池的充电终止电压为1.5 V，锂离子蓄电池的充电终止电压为4.25 V。

5）放电终止电压

放电终止电压是指电池放电时允许的最低电压。

电池在一定标准放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池不宜再继续放电时，电池的最低工作电压称为放电终止电压。如果电压低于放电终止电压后电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率有关，放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，电池的容量越小。

金属氢化物镍蓄电池的放电终止电压为1 V，锂离子蓄电池的放电终止电压为3.0 V。

（2）容量

电池在一定的放电条件下（放电率、温度、充电终止电压等）所能放出的电量称为电池容量，等于放电电流与放电时间的乘积，用字母C表示。其单位常用A·h或mA·h表示。电池容量是衡量电池性能的重要性能指标之一。

1）电池容量的分类

按照不同条件分为理论容量、实际容量、标称容量与额定容量。

①理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值，即假定活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量，用C0表示。

法拉第定律指出，电流通过电解质溶液时，在电极上发生化学反应的物质的量与通过的电量成正比：

式中　Q——电极反应中通过的电量；

　　　z——在电极反应式中的电子计量系数；

　　　m——发生反应的活性物质的质量；

　　　M——活性物质的摩尔质量；

　　　F——法拉第常数。

②实际容量是指电池在实际应用工况下放电，电池实际放出的电量，用C表示，它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为A·h，其值小于理论容量。由于受放电率的影响较大。常在字母C的右下角以阿拉伯数字标明放电率，例如，C20=50 A·h，表明在20时率下的容量为50 A·h。

式中　I——放电电流；

　　　T——放电至终止电压的时间。

③标称容量是用来鉴别电池的近似安时值。

④额定容量也称为保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，在一定的放电条件下（如温度、放电率、终止电压等）应该放出的最低限度的容量。用Cg表示。由于电池内阻的存在，活性物质的利用率总是小于1，因此，化学电池的实际容量、额定容量总是低于理论容量。

2）电池容量的影响因素

电池的实际容量取决于电池中活性物质的多少和活性物质的利用率。活性物质质量越大，活性物质利用率越高，电池的容量也就越大。影响电池容量的因素很多，常见的有放电率、温度、终止电压、极板的几何尺寸等。

①放电率对电池容量的影响。铅蓄电池容量随放电倍率的增大而降低，也就是说放电电流越大，计算出电池的容量就越小。比如一只10 A·h的电池，用5 A放电可以放2 h，即5×2=10 A·h；那么用10 A放电只能放出47.4min的电，合0.79 h，其容量仅为10×0.79=7.9 A·h。所以对于给定电池在不同时率下放电，将有不同的容量。在谈到容量时必须知道放电的时率或倍率，简单地说就是用多大的电流放电。

②温度对电池容量的影响。温度对铅酸蓄电池的容量影响较大，一般随温度的降低，电池容量下降。在蓄电池生产标准中，一般要规定一个温度为额定标准温度（一般为25℃），负极板受低温的影响要比正极板敏感。当电解液温度降低时黏度增大，离子受到较大的阻力，扩散能力下降，电解液电阻增大，从而使电化学反应阻力增加，一部分硫酸铅不能正常转化，充电接受能力下降，导致蓄电池容量下降。

③终止电压对电池容量的影响。当电池放电至某一个电压值后，产生电压急剧下降，实际上所获得的能量非常小。如果长期深放电，对电池的损害相当大，所以必须在某一电压值终止放电，该终止放电电压称为放电终止电压。设定放电终止电压对延长蓄电池使用寿命意义重大。

④极板的几何尺寸对电池容量的影响。在活性物质的量一定时，与电解液直接接触极板的几何面积增加，电池容量增加。极板的厚度、高度、面积都会影响电池容量。

电池容量随极板厚度的增加而减少：极板越厚，硫酸与活性物质接触面就越小，活性物质的利用率越低，电池容量越小。

在电池中极板的上下两部分的活性物质利用率存在着较大的差异。放电初期极板上部比下部的电流密度高出2~2.5倍，这种差别随着放电时间的推移而逐渐减少，但上部电流密度大于下部电流密度。

电池容量随极板几何面积的增加而增加：极板几何面积越大，活性物质的利用率就越高，电池的容量也就越大。在电池壳体相同、活性物质量不变的情况下，采用薄极板而增加极板片数，也就是增加了极板的有效反应面积，从而提高了活性物质的利用率，增加了电池的容量。

（3）内阻

内阻的定义为电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻。

内阻的特性：电池内阻不是常数，在放电过程中受到活性物质的组成、电解液浓度、温度变化和放电时间的影响。电池内阻包括欧姆内阻RΩ和电极在电化学反应时所表现出的极化内阻Rf，两者之和称为电池的全内阻：(www.xing528.com)

欧姆内阻RΩ由电极材料、电解液、隔膜的内阻及各部分零件的接触电阻组成，遵守欧姆定律。

极化内阻Rf指化学电源的正极与负极在电化学反应进行时由于极化所引起的内阻。受活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺和温度的影响。电池产生极化现象的原因有欧姆极化、浓度极化和电化学极化。

欧姆极化是指在充放电过程中，为了克服欧姆内阻，就必须额外施加一定的外加电压，以克服阻力推动离子迁移。电流越大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的温度越高。浓度极化指电流流过蓄电池时，生成物和反应物的扩散速度比化学反应速度慢，造成极板附近电解质溶液浓度发生变化，即从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。电化学极化是由于在电极上进行的电化学反应的速度落后于电极上电子运动的速度所造成的。

充电电池的内阻很小，需要用专门的仪器才可以测量到比较准确的结果。一般所指的电池内阻是充电态内阻，即指电池充满电时的内阻。与之对应的是放电态内阻，指电池充分放电后的内阻。一般说来，放电态内阻比充电态内阻大，并且不太稳定。电池内阻越大，电池自身消耗掉的能量越多，电池的使用效率就越低。内阻很大的电池在充电时发热很厉害，使电池的温度急剧上升，对电池和充电器的影响都很大。随着电池使用次数的增多，由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低，电池的内阻会有不同程度的升高。

（4）能量

动力电池的能量是指在一定放电制度下电池所能输出的电能，单位是W·h或kW·h。它影响电动汽车的行驶里程。

动力电池的能量分为总能量、理论能量、实际能量、比能量、能量密度、充电能量和放电能量等。

1）总能量

电池的总能量是指蓄电池在其寿命周期内电能输出的总和。

2）理论能量

理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积，指在一定标准所规定的放电条件下电池所输出的能量。

3）实际能量

实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池所能输出的能量。

4）比能量

比能量也称为质量比能量，是指电池单位质量所能输出的电能，单位是W·h/kg，常用比能量来比较不同的电池系统。

比能量有理论比能量和实际比能量之分。理论比能量是指1 kg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量；实际比能量是指1 kg电池反应物质所能输出的实际能量。由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。

电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。电池的比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，是评价电动汽车的动力电池是否满足预定续驶里程的重要指标。

5）能量密度

能量密度也称体积比能量，是指电池单位体积所能输出的电能，单位是W·h/L。

6）充电能量

充电能量是指通过充电机输入蓄电池的电能。

7）放电能量

放电能量是指蓄电池放电时输出的电能。

（5）功率

电池的功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内所输出能量的大小。单位为W或kW。电池的功率决定了电动汽车的加速性能和爬坡能力。

功率分为比功率和功率密度。

比功率是指单位质量电池所能输出的功率，也称质量比功率，单位为W/kg或kW/kg。功率密度是指单位体积电池所能输出的功率，也称体积比功率，单位为W/L或kW/L。

（6）输出效率

动力电池作为能量存储器，充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过程中有一定的能量损耗。通常用电池的容量效率和能量效率来表示。

容量效率是指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比；能量效率是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。

（7）自放电率

自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度。自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。

（8）放电倍率

电池放电电流的大小常用“放电倍率”表示，即电池的放电倍率用放电时间表示或以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示，由此可见，放电时间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大。

放电倍率等于额定容量与放电电流之比。根据放电倍率的大小，可分为低倍率（<0.5C）、中倍率（0.5~3.5C）、高倍率（3.5~7.0C）、超高倍率（>7.0C）。

（9）使用寿命

使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限。电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时电池失效，这时电池的使用寿命终止。电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。使用周期是指电池可供重复使用的次数。

循环寿命是评价蓄电池使用技术经济性的重要参数。蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环，或者一个周期。循环寿命是指在一定放电制度下，二次电池的容量降至某一规定值之前，电池所能耐受的循环次数。

蓄电池中，锌银蓄电池的循环寿命最短，一般只有30~100次；铅酸蓄电池的循环寿命为300~500次；锂离子电池的使用周期较长，可充放电1 000次以上。

电池失效原因主要有：

①电极活性表面积在充放电过程中不断减小，使工作电流密度上升，极化增大；

②电极上活性物质脱落或转移；

③在电池工作过程中，某些电极材料发生腐蚀；

④在循环过程中电极上生成枝晶，造成电池内部微短路；

⑤隔膜的老化和损耗；

⑥活性物质在充放电过程中发生不可逆晶形改变，因而使活性降低。